引言
炼钢厂在进行钢铁的制作过程中会不断产生大量的废物,其中炉渣占的比例最大。若不对这些废物进行及时而有效的处理，就会造成严重的问题，炉渣再处理再利用早已成为目前必不可少的环节，但许多环保运营管理有限公司在处理炉渣时仍采用人工操作，工作环境空气差，对人体的健康造成严重的影响，而且各环节不能形成高效的产业流程，工作效率低，因此为了进行相关问题的解决，本论文就钢铁废渣处理和利用方面的工作进行智能化改造，设计一款基于基于Twin CAT系统，用于炉渣处理的新型扒渣机器人。 关键词：钢铁废渣、Twin CAT系统、智能化改造、扒渣机
一、研究背景
根据走钢铁废渣处理现场调查，原有滚筒扒渣机在使用过程中存在的结构设计问题和功能性问题：手臂和手爪一体固定连接，运动灵活性差，不利于工作节拍的提高；手臂伸缩机构采用链轮链条驱动，运动速度低，现有结构只能采用开式油脂润滑，维护保养条件差；手臂俯
仰采用液压缸驱动，由于工作现场环境温度高，粉尘严重，条件非常苛刻，对液压系统的使用和防护要求高；手臂回转底盘轴承密封不好，减少了轴承工作寿命，加大了设备维护工作量等问题。
除此之外，当前的设备的操作方式是人工近距离目视观察和手动操作，工作环境差，基于钢渣温度高，呈半融化状态，钢渣存在飞溅现象，安全隐患较大；机械手和渣罐的动作各自独立，手臂运动的灵活性、协调性差，手动操作速度慢、效率低；而且扒渣机系统的环境检测和状态监测功能有待加强，需要增加机器视觉系统，智能识别渣罐和滚筒处钢渣的实际状态，为实现无人全自动扒渣作业奠定基础。 二、新型滚筒扒渣机设计目标
1、功能性改进目标：
基于上述存在的问题，结合现在环境和工作要求，提出以下解决方案：
增强系统环境检测、状态监测功能和机器视觉识别功能。操作者可以通过网络远程遥控扒渣机动作、可以通过多视角图像观察远程工作现场情况，控制系统具有手动、半自动和自
动工作模式，能够实现机械手和渣罐的联动操作控制；
2、结构性性改进目标：
在原有扒渣设备的基础上，重新设计新型扒渣机器人，改进机械手结构，增加小臂，提高机械手的运动灵活性；基于手爪所接触的钢渣温度，改进手爪结构和材料工艺性能，增加手爪功能和使用寿命；采用全电动驱动，改善密封和防护结构，增加系统的可靠性和可维护性；强化设备冷却和防护措施，提高设备的使用寿命，降低故障率，减少维护工作量。设计全新的扒渣机操作控制系统，实现网络化远程控制，增加系统的半自动、自动工作模式，实现机械手和渣罐的联动操作控制，增强系统的环境检测和状态监测功能，研究机器视觉识别功能，实现智能无人化扒渣作业和整个工厂生产系统的网络化智慧化管理。
三、涉及的行业共性技术、关键技术以及技术难点和创新点
共性技术：
高热工作环境下如何保证设备的可靠性，如何防护；远程操作控制技术。
关键技术：
1）采用新的高性能电动推杆驱动方式代替传统方式，提高动力系统的可靠性、可维护性；
柔翼无人机2）采用新的机械手机构提高运动灵活性，采用新的结构设计改善设备部件的密封、防护；
3）设计全新的扒渣机操作控制系统，实现网络化远程控制，增加系统的半自动、自动工作模式，实现机械手和渣罐的联动操作控制；
4）增强系统的环境检测和状态监测功能，研究机器视觉识别功能，实现智能无人化扒渣作业和整个工厂生产系统的网络化智慧化管理。
技术创新点：
1）本项目在机械手手臂机构，手部功能结构以及整机动力驱动方式上都进行了创新结构设计，将形成多项相关的发明专利；
乐器架
2）本项目在操作控制方式进行了创新设计，能够对扒渣机进行网络化远程操作控制，增加半自动、全自动工作模式，实现了机械手和渣罐的联动操作控制，这些都是传统设备所不具备的功能；
3）研究机器视觉等人工智能技术在滚筒扒渣机控制方面的应用，实现智能无人化扒渣作业和整个工厂生产系统的网络化智慧化管理。
四、课题的研究方案及技术路线
1、新型扒渣机硬件设计
扒渣机有三个独立运动，手臂的伸缩、俯仰和绕底盘的水平摆动。扒渣机的手臂是一体的，手臂前段有一个折弯，形成了大臂和小臂两部分，在结合部用螺栓固定。机械手的三个运动分别采用液压马达和液压缸驱动。其存在的主要问题是整机液压驱动，运动部件的密封不好，在高温环境下系统的防护维护困难，可靠性降低，大小臂固定一体，手臂运动灵活性差；人工抵近观察操作，工人作业环境差，存在安全隐患，与工厂集中控制管理系统信息交互少，无法实现智能无人化扒渣作业和整个工厂生产系统的网络化智慧化管理。
在结构设计上与原有扒渣机相比有重大改变：一是增加了活动小臂，使得机构运动灵活性大大增加，也有利于提高工作速度；二是小臂摆动、大臂伸缩、大臂俯仰运动全部采用高性能电动推杆驱动，大臂的水平摆动也采用电动驱动，故障率低，更换维护方便；三是全新设计了密封和防护结构，提高了运动部件的可靠性、可维护性。
新型扒渣机在硬件系统采用工控机+软控制器的控制模式，系统硬件主要采用Twin CAT系统的BECKHOFF工控机、触摸屏、I/O接口电路、驱动器、伺服电机、主轴电机、电动推杆以及感应开关等部分组成。
2、新型扒渣机控制系统取样方法
本项目改变了滚筒扒渣机的传统操作控制方式，提出了实现网络化远程操作控制，增加半自动、全自动工作模式，对机械手和渣罐进行联动控制等设计目标。
滚筒扒渣机本体部分包括动力驱动系统，动作执行机构，传感器、机器视觉系统，这部分设备工作环境差，特别是要解决耐高温问题。滚筒扒渣机控制系统和操作室设置在作业区域外，操作者可以在操作室远程操作，也可以手持遥控操作盘抵近观察操作。
自动上料玉米脱粒机整套扒渣机操作控制系统分为遥控器、线控器、控制器3部分，其遥控和线控系统的操作盘功能和执行动作方式完全一致。
操作方式改成远程遥控后，对现场的观察完全依赖于视觉系统，本项目方案的视觉系统有两部分组成，广域视觉系统和本体视觉系统。广域视觉系统是指由布置在车间上方和设备
周围不同位置的摄像机构成的视觉系统，它给操作者提供不同视角的图像，可以观测到滚筒和扒渣机的位置状态和动作，指引操作者作业；本体视觉系统是由安放在设备本体适当位置上的摄像机构成的，它提供更接近的、动态的现场图像，可以让操作者近距离观察到钢水倾倒时表面渣壳堆积情况，采取更有针对性的扒渣动作。
五、结束语
新型扒渣机器人成功解决了现有扒渣机人工和半机械化扒渣所存在的一系列弊端，很好地满足了用户的生产实际需求，不仅提高了生产效率和产品品质，还降低了人工成本，生产过程更加安全可靠。
对于计算机图像识别技术在识别渣罐内钢渣状态上的应用，将机器视觉带入控制系统，进一步研究扒渣机人工智能控制方法、逐步实现智能无人化扒渣作业将作为后期研究方向。控制系统加强了与工厂集中控制管理系统信息交互，有助于实现整个工厂生产系统的网络化智慧化管理。
参考文献
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